深厚淤泥土层中地铁车站基坑围护设计与分析

刘亚威

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

0 引言

基坑开挖是地铁车站工程中尤为关键的环节，科学的设计方案是确保施工质量的重要前提，除基坑支护结构的合理性外，还要注重开挖作业对周边既有建(构)筑物带来的影响。基于此，需确定科学的基坑围护设计方案，在达到工程质量要求的同时，尽可能缩短工期、控制施工成本。

1 工程概况

某地铁车站工程中，超深基坑工作量较大，呈南北分布特点，长180 m、宽23.7 m、高36 m。根据现场情况，该基坑临近河堤，该处河床高度20 m，施工区域地下水位约8.360 m。基坑周边除一处空地外，还建有一座正处于运营阶段的预应力桥，周边有大量高层建筑，现场施工环境较为复杂。

2 地质概况

建设区域吴淞高程6.60 m～8.48 m，整平标高约7.50 m，趋近于地表高度。地质特性方面：①杂填土：较为松散，龄期约5年，厚度1.00 m～5.80 m；②淤泥质填土：具备较强压缩性，含部分腐殖土，厚度0.70 m～1.70 m；③淤泥质粉质黏土：以流塑状为主，具备可压缩性，含部分粉土，厚度5.00 m～8.80 m。

3 深基坑围护设计

根据现场实际情况，确定深基坑围护方案，具体为：以钻孔灌注桩为主，辅以φ850@1 200三轴水泥土搅拌桩以发挥出止水的作用，选取钢筋混凝土材料，施作二道内支撑，以提升整体稳定性。

3.1 支护桩设计比选分析

立足于本工程施工情况，综合考虑类似工程经验，提出多种基坑围护结构形式，具体有：

1)以钻孔灌注桩为基础结构，辅以止水帷幕。此方案的基本特点在于工艺简单、施工扰动程度低，从工程经验来看，在长三角地区具有较好的适应性。关于止水帷幕的施工作业，需综合考虑现场土层稳定程度、基坑开挖深度等因素。

2)SMW工法桩。首先设置三轴水泥土搅拌桩，向其中置入适量型钢，可得到综合型挡土止水结构。从行业发展状况来看，SMW工法桩的局限之处在于抗侧刚度有限，若基坑深度超13 m，将伴随明显的变形问题[1]。此项技术对基坑变形较为敏感，缺乏控制措施时易出现桩结构开裂的问题，不利于基坑稳定性，使其出现渗漏水现象，并对周边环境造成不良影响。

3)地下连续墙。此结构兼具挡土、止水、变形可控、稳定性好等多重优点，被广泛应用于大型基坑工程中，但存在成本高、施工周期长、槽段接合效果差等局限性。

经上述对比分析，并考虑本基坑施工情况，为满足安全、高效等多重要求，最终选择钻孔灌注桩作为本基坑的围护桩。

3.2 止水桩设计比选

基坑开挖作业持续到基底时，该区域的压力状况将发生变化，开挖面至承压水层间存在较为明显的自重压力，该值将明显超过承压水头压力；进一步开挖并到达坑底时，承压水头压力大幅提升，明显超出上覆土压力。从这一规律来看，本基坑工程对止水与降水均提出较高的要求。

现代化工程项目中，机械设备是提升施工效率的关键，双轴水泥土搅拌桩相关设备在中密砂性土中的适应性不足，最大深度为17.0 m，具体至本工程，若采取此方式将难以确保桩结构止水效果；若采取三轴水泥土搅拌桩，相关设备的工作深度可达33.0 m，具有较好的切土能力。综合对比，三轴搅拌机械更具可行性，可满足质量、效率等多重要求，在工期较紧的项目中适应能力更强。

三轴搅拌机是重要的工程设备，其中两轴同步喷浆，实现与土体的充分混合，中轴维持逆向高压喷气状态，通过气体逆向翻转的方式提升拌合料的均匀性，为成桩质量提供保障[2]。从本工程的施工特点来看，双轴水泥土搅拌桩存在诸多局限之处，不具备优良的止水效果，但采取高压旋喷桩又将耗费大量成本。基于此，选择的是套接φ850@1 200三轴搅拌桩的方式，以满足止水要求。

3.3 设计工况

将施工现场整平，形成硬地坪后即可展开围护体的施工作业，主要涉及到钢立柱与工程桩两部分。通过轻型井点实现对坑内的预降水处理；开槽，通过浇筑的方式设置圈梁与首层支撑结构，检验其强度，达到设计强度的80%后则具备继续施工的条件，即对称开挖至下一层支撑底；兼并展开围檩与第二层支撑的浇筑作业，满足强度要求后再对称开挖并持续至坑底；混凝土垫层浇筑遵循的是随挖随浇的原则，要求围护桩的连接区域都要得到有效的浇筑；结束底板浇筑后需进一步延伸至支护桩边；检验底板强度，当该值满足设计要求后即可展开-2层主体结构施工作业，随后将该层支撑装置拆除；依次完成主体与楼板换撑块的浇筑作业，当两结构的强度均达到要求后，方可拆除第一层支撑装置；最后做好地下主体结构的施工作业，于该处回填土并采取夯实处理措施。

3.4 混凝土内支撑

部分基坑深度较大，为不规则形状，在此施工环境中钢筋混凝土支撑是可行的方式，在该结构的作用下，可优化平面结构体系，使其具备较强的刚度，尽可能避免围护体顶部位移现象，以实现对周边环境的有效保护。此外，相较于钢支撑而言，采取钢筋混凝土支撑的方式具有更强的灵活性，可实现分块施工作业，施工中可预留较大的空间以满足出土需要，提升了土方开挖效率，有效缩短地下结构施工工期。钢筋混凝土支撑形成了完善的受力体系，各部分受力明确，可达到各支撑块独立受力的效果。基于此特性，支撑施工时可显著提升分块施工效率，缩短支撑周期[3]。根据本工程情况，确定了内支撑结构图，具体如图1所示。考虑到本基坑边长长度较大，因此要增设施工栈桥，钢筋混凝土支撑系统采取的是对撑与角撑相综合的方式，在满足支撑要求的同时有效控制成本。内支撑施工环节所用材料为C35混凝土，控制顶压圈梁钢筋保护层厚度，此结构以30 mm为宜。

4 设计结果分析

4.1 计算条件

引入竖向弹性地基梁法，由此展开基坑围护体的设计工作。计算过程中，施工超载取值为25 kPa，根据现场情况，基坑施工状况良好，仅存在部分建(构)筑物且不会对正常施工作业造成影响，因此此处未考虑建筑物超载问题。支撑体系计算环节，将支撑与围檩视为整体结构，分别对其内力与变形问题加以分析，汇总各项资料，所得结果如表1所示。

表1 内力与变形计算结果表

4.2 结果分析

深基坑设计工作中，计算与验算是提升方案可行性的关键，应充分考虑围护结构变形、基坑周边地层沉降等问题。通过现场监测的方式可掌握基坑及其周边的实际情况，为工程人员提供分析资料。实际工作中，根据施工要求确定监测项目及其警戒值，根据各阶段的监测数据，若达到该值将触发警报，相关人员随即分析问题并采取应对策略，以确保基坑安全性。对此，根据现场监测结果创建基坑位移图，具体内容如图2所示。

根据图2内容得知，基坑不同深度处的土体变形程度有所不同，最大为25.20 mm，最大水平位移为21.14 mm，曲线总体呈“纺锤”状。变形主要集中在二道支撑底部至坑底这一区段，各处位移均未超过30.0 mm，与设计要求相符，可实现对周边环境的有效保护。监测数据表明，围护结构的稳定性较好，开挖作业时周边建筑物与管线均处于稳定状态。

5 结语

根据基坑开挖监测数据得知，本设计方案具有可行性，基坑围护结构稳定性较好，施工中周边建筑物未受到影响，创造了安全的施工环境，且位移与变形都控制在许可范围内。总体上，本基坑围护设计方案的应用效果优良，可为类似工程提供参考。